MX2007013338A

MX2007013338A - Dispositivo de transferencia termica de peltier moldeable, y metodo para fabricarlo.

Info

Publication number: MX2007013338A
Application number: MX2007013338A
Authority: MX
Inventors: Kevin A Mccullough
Original assignee: Cool Shield Inc
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2006116690A2; PL1875524T3; CA2606223A1; KR20080003872A; WO2006116690A3; TW200731587A; US20060243316A1; CN101189741A; BRPI0610392A2; EP1875524B1; CN101189741B; EP1875524A2; AU2006239199B2; ES2428063T3; AU2006239199A1; KR100959437B1; TWI336530B; EP1875524A4; PT1875524E; JP2008539600A

Abstract

Un dispositivo (100) de transferencia termica incluye un miembro de cuerpo (110) que tiene un material de base (102) de un primer material semiconductor de un primer tipo, con material de relleno (104) dispersado en el, de un segundo material semiconductor de un segundo tipo. Estan fijados electrodos (106, 108) en los lados del miembro de cuerpo (110) y una corriente electrica corre a traves de el para crear un flujo termico usando el efecto Peltier. El dispositivo (100) esta formado mediante moldeo por inyeccion y similares, y se introduce el relleno (104) en la base, por ejemplo, mediante procesos de extrusion o de extrusion por estiramiento.

Description

DISPOSITIVO DE TRANSFEREN CIA TÉRM ICA DE PELTI ER MOLDEABLE. Y M ÉTODO PARA FABRICARLO Referencia a sol icitud relacionada Esta solicitud está relacionada con , y reclama la prioridad de, la solicitud de patente provisional , presentada previamente, No . de serie 60/675,786, presentada el 28 de abril de 2006, incorporada aquí por medio de esta referencia. Antecedentes de la i nvención La presente invención se refiere en general a dispositivos para usarlos en la transferencia o disipación de calor, a fin de efectuar manejo térmico. Además, la presente invención se refiere al uso de dichos dispositivos para enfriar partes y componentes, tales como los de un sistema de computadora , de modo que dichas partes no fallen con el tiempo. La presente invención se refiere específicamente a dispositivos de transferencia de calor de estado sólido, para esos fines. En la técnica anterior hay muchos dispositivos de diferentes tipos que pueden ser usados para manejo térmico, tal como para enfriar objetos. Esos dispositivos tienen aplicación particular, por ejemplo, en el manejo térmico dentro de un ambiente de computadora. Las soluciones térmicas típicas incluyen disipadores de calor con aletas y ventiladores mecánicos para enfriar partes que se calientan . Sin embargo, estas soluciones pueden ser costosas e ineficientes.

También han necesidad de dispositivos para usarlos como fuentes de calor para diversas aplicaciones. Por ejemplo , se puede usar una placa caliente para calentar un asiento de automóvil o para elevar la temperatura de un componente mecánico, para mejorar su funcionamiento. Estas soluciones han sido típicamente serpentines con agua caliente en ellos, o alambres de resistencia que se calientan cuando se les hace pasar corriente eléctrica . Sin embargo , estos métodos son costosos e ineficientes. Ha habido intentos en la técnica anterior por proveer un reemplazo de estado sólido para las soluciones térmicas mecánicas anteriormente mencionadas, utilizando materiales que exploten el efecto Peltier. El efecto Peltier es la creación de una diferencia térmica a partir de un voltaje eléctrico. Más específicamente, ocurre cuando se hace pasar una corriente a través de dos metales diferentes, o semiconductores, por ejemplo, material de tipo N y material de tipo P, que están conectados entre sí en dos juntas, conocidas como juntas de Peltier. La corriente i mpulsa una transferencia de calor de una junta a la otra , donde la primera junta se enfría, mientras que la segunda se calienta . Con referencia al diagrama de circuito de la figura 1 de la técnica anterior, cuando se hace fluir una corriente I a través del circuito, se desprende calor en la junta superior (en T2) y se absorbe en la junta inferior (en T^. El calor de Peltier absorbido por la junta inferior, por unidad de tiempoQ es igual a: Q (Hj3 — TLA) I donde p es el coeficiente de Peltier ? A B de todo el termopar, y pA y pB son los coeficientes de cada material . El silicio de tipo P tiene un coeficiente de Peltier positivo , que típicamente no es mayor que aproximadamente 550 K; mientras que el silicio de ti po N es típicamente negativo. En este efecto de Peltier, los conductores están intentando regresar al equilibrio electrónico que existía antes que se aplicara la corriente, absorbiendo energ ía en un conector y liberándola en el otro. Los pares individuales pueden estar conectados en serie para incrementar el efecto Peltier. La dirección de transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente; la inversión de la polaridad cambiará la dirección de transferencia y, de tal manera , el signo del calor absorbido/desprendido. Ha habido intentos, en la técnica anterior, de explotar el efecto Peltier para fines de enfriamiento y calentamiento. Por ejemplo , son bien conocidos los enfriadores/calentadores o bombas térmicas termoeléctricas, que son bombas térmicas activas, de estado sólido , que transfieren calor de un lado del dispositivo al otro. Los enfriadores de Peltier también pueden denominarse TEC (ThermoElectric Converter = convertidor termoeléctrico). Estos dispositivos Peltier de estado sólido, de la técnica anterior, tienen una configuración parecida a una placa e incluyen típicamente una formación alternante de materiales de tipo P y de tipo N . Por ejemplo, un módulo termoeléctrico 1 0, mostrado en la figura 2 , es un ejemplo de dicho dispositivo Peltier de la técnica anterior; donde únicamente está mostrada una junta P-N para fines de explicación . Un módulo termoeléctrico típico 1 0 es fabricado usando dos elementos de cerámica en forma de molde para barquillo , delgados, 22 , 24, con una serie de elementos de tipo N 1 2 y de tipo P 14, de material semiconductor, tal como material contaminado con teluriuro de bismuto, emparedado entre ellos. También están provistos contactos eléctricos 30 para suministrar corriente desde la fuente de alimentación 32. El material de cerámica 22 , 24, a ambos lados del termoeléctrico , aumenta la rigidez y el aislamiento eléctrico necesario desde el disipador de calor 26 y el objeto 28 que se va a enfriar. El material de tipo N 1 2 tiene un exceso de electrones, mientras que el material de tipo P 14 tiene una deficiencia de electrones. Un tipo N 1 2 y un tipo P 1 4 constituyen un par 34, como se muestra en la figura 2 de la técnica anterior. Los pares termoeléctricos 34 están dispuestos eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Un módulo termoeléctrico 1 0 puede contener de uno a varios cientos de pares, por ejemplo . La figura 3 de la técnica anterior muestra un ejemplo de un dispositivo 1 0 de termopar de la técnica anterior, que incluye una formación de material de tipo P y de material de tipo N , en una disposición en serie. El material de tipo N 1 2 y el material de tipo P 1 4 están dispuestos específicamente en filas que se alternan , donde los electrodos 1 6, 1 8 y 20 están provistos de manera alternada para conectarse con los materiales en serie, para crear una sarta de interfaces N-P, P-N y N-P, y así sucesivamente. En el dispositivo de la figura 3, los electrodos 1 6 y 20 están situados en la parte superior de la placa, mientras que el electrodo 1 8 está situado en el fondo de la placa. No están mostradas las capas aislantes típicas en la figura 3, por claridad de la ilustración . Esta disposición asegura que la corriente fluya desde el electrodo 1 6 al 18 y luego a 1 8. Se pueden apilar juntos grandes números de estas placas, con material aislante dieléctrico apropiado entre ellas, como se describe más arriba. Si bien pueden ser útiles esos termopares de la técnica anterior en determinados ambientes, únicamente hay una eficiencia de 1 0 por ciento, debido al calor de Joule y al efecto reactivo térmico. Así pues, en los dispositivos de la técnica anterior se debe usar un material de muy baja conductividad térmica para preveni r este efecto reactivo térmico. Estos dispositivos de la técnica anterior también sufren de la desventaja de que es difíci l y costoso fabricarlos, y están limitados en su configuración a filas alternantes específicas y precisas, de materiales de tipo N y de ti po P , con conductores alternantes situados con precisión . De esa manera, las aplicaciones para los dispositivos en forma de placa están limitadas a aquellas aplicaciones en las que se puedan acomodar dispositivos enfriadores que tengan esa configuración . Como resultado, no se pueden formar fácilmente a diferentes formas ni configuraciones, para usarlos en diferentes tipos de aplicaciones que requieren de un dispositivo enfriador que no tenga forma de placa. Por lo tanto, hay necesidad de un dispositivo de tipo Peltier que se pueda formar en cualquier tipo de forma o configuración, que sea más eficiente que los dispositivos de la técnica anterior, pero al mismo tiempo que sea capaz de servir como dispositivo enfriador o calentador, para manejo térmico . Breve descri pción de la invención La presente invención preserva las ventajas de los dispositivos térmicos de la técnica anterior. Adicionalmente, provee nuevas ventajas que no se encuentran en los dispositivos actualmente disponibles, y resuelve muchas de las desventajas de dichos dispositivos actualmente disponibles. En general , la ¡nvención está di rigida al dispositivo novedoso y único de transferencia térmica, que incluye un miembro de cuerpo que tiene un material de base de un primer material semiconductor de un primer tipo, con un material de relleno dispersado en él , de un segundo material semiconductor de un segundo tipo. Están fijados electrodos en los lados del miembro de cuerpo, y se hace correr una corriente eléctrica a través de ellos para crear un flujo térmico , utilizando el efecto Peltier. Como se señaló con anterioridad , la dirección del flujo de corriente dicta si el dispositivo enfría o calienta . El dispositivo está formado mediante moldeo por inyección y similares, y se introduce el relleno en la base, por ejemplo, mediante procesos de extrusión o de extrusión por estiramiento . Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención proveer un dispositivo de transferencia térmica que sea fácilmente moldeable a cualquier forma, tamaño y configuración . Es un objetivo de la presente invención proveer un dispositivo de transferencia térmica que emplea el efecto Peltier, y que es moldeable, por ejemplo , mediante moldeo por inyección. Es otro objetivo de la presente invención proveer un dispositivo de transferencia térmica , donde el flujo térmico es controlado. Es un objetivo más proveer un dispositivo de transferencia térmica de Peltier, que no está limitado a la forma ni a la configuración de una placa. Breve descri pción de los dibujos Se señala en las reivindicaciones que vienen al final , los aspectos novedosos que son característicos de la presente invención . Sin embargo, las modalidades preferidas de la invención , junto con otros objetivos y ventajas concomitantes, se comprenderán mejor cuando se haga referencia a la descripción detallada siguiente, que se toma correlacionada con los dibujos anexos, en los que: La figura 1 es un diagrama de circuito de la técnica anterior, que il ustra el efecto Peltier. La figura 2 es una vista en alzado de un termopar de la técnica anterior que emplea el efecto Peltier. La figura 3 es una vista frontal en perspectiva de un dispositivo de la técnica anterior, de múltiples termopares dispuestos en serie; y La figura 4 es una vista en sección de un dispositivo de termopar, de acuerdo con la presente invención. Descri pción detallada de la modalidad preferida La presente invención soluciona los problemas de la técnica anterior al proveer un dispositivo de termopar de Peltier nuevo y único, que se puede formar a una gran disposición de formas , tamaños, configuraciones, y que es más eficiente que los dispositivos de termopar de Peltier de la técnica anterior. El dispositivo de la presente invención puede ser moldeado por inyección , de modo que se puede usar en una gran variedad de aplicaciones de manejo térmico, evitando de esa manera la l imitación de los dispositivos de la técnica anterior, que tienen una configuración en forma de placa. Como se muestra en la figura 4, el dispositivo 1 00 de la presente invención incluye un material de base 1 02, con relleno 1 04, con electrodos 1 06 y 1 08 dispuestos en sus extremos opuestos. En general , el dispositivo de la presente ¡nvención provee un material de base moldeable de un primer tipo de material semicond uctor, que está relleno con un segundo tipo de material semiconductor. Más específicamente, de acuerdo con la presente invención , el material de base 1 02 puede ser un material de ti po N o de tipo P; mientras que el material de relleno es del tipo opuesto al del material de base. Por ejemplo, si el material está seleccionado para ser un material de tipo N , entonces se ha de seleccionar el material de relleno para que sea del tipo P. Los materiales pueden ser cualquier tipo de material tipo N o tipo P compatible. Por ejemplo, la base y el relleno pueden estar adulterados apropiadamente con bismuto para crear el material semiconductor de tipo N y de tipo P deseado. El material de relleno de preferencia es de una proporción de aspecto elevada (tal como 5: 1 o mayor) para mejorar la interconexión eléctrica a través del cuerpo. Alternativamente, el rel leno puede tener una proporción de aspecto ¡nferior a 5: 1 . De acuerdo con la presente ¡nvención , el material de tipo P y el material de tipo N pueden ser cualquier material adecuado . Se pueden utilizar los materiales semiconductores usados comúnmente, tales como silicio, germanio, arseniuro de galio y fosfuro de indio . Se debe entender que la presente ¡nvención de ninguna manera está limitada al uso únicamente de estos materiales. Para obtener un material de tipo N se ad ultera un material semiconductor con el elemento apropiado, tal como antimonio. Para obtener un material de tipo P se adultera el material semiconductor con el elemento apropiado, tal como boro. Los materiales semiconductores y su adulteración para obtener materiales del tipo N y materiales del tipo P son bien conocidos en la técnica, de modo que no es necesario discutirlos con mayor detalle en la presente. El dispositivo 1 00 está mostrado como una configuración de bloques, para facilitar la ilustración. Sin embargo, como se describirá más adelante, el material es fácilmente formable a diferentes formas y configuraciones, ya que es moldeable, por ejemplo, mediante moldeo por inyección. A través del cuerpo del miembro moldeado, al que se hace referencia en su generalidad con 1 1 0, de material de base 1 02 y de relleno 1 04, mostrados en la figura 4, pasa electricidad a través de él , es decir, a través del material de relleno 1 04 y del material de base 1 02, o sea, del material tipo N y del material tipo P alternantes, desde el electrodo 1 06 al electrodo 1 08. Dependiendo de la carga del material de base 1 02 con el material de relleno 1 04, puede haber docenas , si no cientos, de interfaces P-N y, por consiguiente, juntas P-N resultantes, que pueden emplear el efecto Peltier. El material de base 1 02 de preferencia es de una mayor resistencia eléctrica , para asegurar el flujo de electricidad a través del relleno 1 04 dispersado en él . Así, se puede reproducir efectivamente el efecto Peltier de las juntas N-P-N-P en el dispositivo mixto moldeado de la presente invención . El calor se propaga a través del cuerpo 1 1 0 del dispositivo, desde el lado negativo (-) al lado positivo ( + ), como en todos los dispositivos de Peltier. En el dispositivo de la figura 4, como más arriba , la dirección del flujo de corriente dictará la di rección del flujo térmico . Se pueden usar métodos conocidos de moldeo por inyección del material , y de introducción del relleno en ellos, para poner en práctica la presente invención . Por ejemplo, se puede introduci r pellas de material de base del tipo N , rellenas con relleno de material del tipo P, o rellenas con material de base de tipo N , en una máquina de moldeo por inyección , para su introducción en un molde de inyección que tenga una cavidad que defina una forma nea deseada para el dispositivo de enfriamiento. Alternativamente, se puede introducir un material semiconductor de un primer tipo en una máquina de moldeo por inyección , mientras que se introduce material semiconductor de un segundo tipo, mediante un proceso de extrusión o de estiramiento por extrusión. Estos procesos son tan bien conocidos en la técnica que no es necesario discutirlos con mayor detalle aquí . Como un ejemplo específico que muestra la efectividad de la presente invención se cargó un material de base de bismuto (u n material de ti po N ) en aproximadamente 30 por ciento con telurio (un material de tipo P) y se formó a un cuerpo con las di mensiones aproximadas de 1 .5 pulgadas (3.81 cm) de largo, 0.5 pulgada ( 1 .27 cm) de ancho y 0.25 pulgada (6.35 mm) de alto. El telurio no se fundió ni formó aleación con el bismuto. Se hizo correr electricidad de 1 voltio a 2 amperios a través del cuerpo . Se midió que el cuerpo exhibiera una temperatura de 1 0°C por debajo de la temperatu ra ambiente. Como resultado, el cuerpo formado actuó como un enfriador, empleando el efecto Peltier. Por ejemplo, se puede formar la composición de la presente invención a la configuración de un ensamble disipador de calor, en el que el cuerpo del disipador de calor tiene forma neta moldeada a una disposición de aleta o pasador, donde la base del disipador de calor lleva un primer electrodo, mientras que todas las puntas de los pasadores llevan un segundo electrodo. El electrodo puede ser fijado al ensamble moldeado después del moldeo, o puede sobremoldearse directamente, por ejemplo. El electrodo dispuesto en la base del disipador de calor puede ser puesto en comunicación térmica con un objeto generador de calor, tal como un microprocesador que se calienta al funcionar. Con la polaridad apropiada de la corriente a través del cuerpo del disipador de calor, se puede enfriar el objeto cuando se extrae el calor alejándolo de la base del disipador de calor, y luego, a través de las puntas de los pasadores, para su transferencia térmica y manejo térmico óptimos. Alternativamente se puede invertir la polaridad del flujo de corriente para invertir el flujo térmico para calentamiento, por ejemplo, para un asiento de automóvil . Por consiguiente, la presente invención provee un nuevo y útil dispositivo de termopar de Peltier, que puede ser usado para manejo térmico. Se puede formar el nuevo d ispositivo usando moldeo por inyección u otras técnicas de formación para acomodar las necesidades de manejo térmico que no pueden satisfacerse con la tecnolog ía de la técnica anterior. La presente invención es nueva y única debido a que provee una forma neta moldeable, tal como mediante moldeo por inyección de un material mixto, a cualquier forma deseada , en ta que se puede obtener enfriamiento o calentamiento de Peltier. Quienes tengan experiencia en la materia apreciarán que se pueden hacer varios cambios y modificaciones en las modalidades ilustradas, sin salirse del espíritu de la presente invención . Se pretende que todas esas modificaciones y todos esos cambios queden cubiertos por las reivindicaciones que vienen a continuación .

Claims

REIVI N DICACION ES

1 . Un dispositivo de transferencia térmica que comprende: un miembro de cuerpo que tiene un material de base de un primer material semiconductor de un primer tipo, con un material de relleno dispersado en él , de un segundo material semiconductor de un segundo tipo; teniendo el miembro de cuerpo un primer lado y un segundo lado; un primer electrodo conectado al primer lado; un segundo electrodo, conectado al segundo lado; de manera que se haga pasar corriente eléctrica a través del miembro de cuerpo a través del primer electrodo y del segundo electrodo, para provocar un flujo térmico a través del miembro de cuerpo.

2. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , en el que el material de base está fabricado de un material semiconductor de tipo P.

3. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , en el que el material de base está fabricado de un material semiconductor de ti po N .

4. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , en el que el material de relleno está fabricado de un material semiconductor de tipo P .

5. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , en el que el material de relleno está fabricado de un material semiconductor de tipo N .

6. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , en el que el material de relleno tiene una proporción de aspecto de 5 : 1 o mayor.

7. Un método para fabricar un dispositivo de transferencia térmica, que comprende los pasos de: proveer un material de base moldeable, de un primer material semiconductor de un primer tipo; rellenar el material de base con un material de relleno de un segundo material semiconductor de un segundo tipo; formar el material de base moldeable, con el relleno dispersado en él , a un miembro de cuerpo que tiene un pri mer lado y un segundo lado; fijar un primer electrodo al primer lado ; fijar un segundo electrodo conectado al segundo lado; y de manera que el paso corriente eléctrica a través del cuerpo provoque un flujo térmico a través del miembro de cuerpo .

8. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, en el que el material de base se fabrica de un material semicond uctor del tipo P .

9. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, en el que el material de base se fabrica de un material semiconductor del ti po N . 1 0. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7 , en el que el material de relleno se fabrica de un material semicond uctor de tipo P. 11. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, en el que el material de relleno se fabrica de un material semiconductor del tipo N. 12. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, en el que el material de relleno tiene una proporción de aspecto de 5:1 o mayor. 13. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, en el que se rellena la base con el relleno mediante extrusión por estiramiento. 14. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, en el que se rellena la base con el relleno por medio de extrusión.